Превращение соединений азота. Азот — один из важных элементов на земле, он входит в состав белков и ну­клеиновых кислот; 75,5% (по массе) его содержится в атмосфере, остальное количество в виде органических и минеральных соединений — в воде и почве. В круговоро­те азота в природе большая роль принадлежит микроор­ганизмам.

Аммонификация белковых веществ.

В ци­топлазме клеток содержатся белковые вещества, кото­рые в виде остатков растений и трупов животных попа­дают в почву, где они подвергаются разложению. В ре­зультате распада белков происходит выделение азота и виде аммиака, отчего процесс получил название аммони­фикации (гниение). Аммонификация белковых ве­ществ—первый микробиологический процесс по превра­щению азотистых соединении в природе. Он протекает при температуре не ниже 10 С в определенной влажности. Роль гнилостных микробов в природе велика: раз­лагая трупы животных и остатки растений, они очищают нашу землю и дают пищу высшим растениям. Процесс аммонификации может проходить как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Аммонификация происходит при участии разнообразных микробов: бацилл, бактерий, актиномицетов, плесневых грибов. По отношению к кис­лороду воздуха их делят на аэробов, факультативных аэробов и анаэробов.

Аэробные микроорганизмы. 1. Корневидная, или гри­бовидная, бацилла (Вас. mycoides) широко распростра­нена в почве, образует споры овальной формы. Грамположительная, подвижная. Перитрих — жгутики располо­жены по всей поверхности клетки. На плотной питатель­ной среде (МПА) рост колоний напоминает мицелий, откуда и название micoides, что означает грибовидный. На жидкой питательной среде (МПБ) рост в виде кусочка ваты, который расположен на дне. Среда же прозрачная.

2. Картофельная бацилла (Вас. mesentericus) по форме напоминает предыдущую. Образует овальные спо­ры. Окрашивается по Граму, подвижная, перитрих. На МПА образует сухие, матовые, складчатые колонии. Складки колоний напоминают складки брыжейки, отку­да и название — mesentericus. На МПБ рост поверхностный в виде сухой пленки.

3. Капустная бацилла (Вас. megaterium) образует споры. Окрашивается по Граму. Палочки со спорами в препаратах чаще расположены в виде цепочки. На МПА колонии блестящие с волокнисто-бахромчатыми краями, на МПБ — слабая муть.

4. Сенная бацилла (Вас. subtilis) очень широко рас­пространена в природе и является энергичным аммонификатором. Образует овальные споры, подвижная, перитрих. Окрашивается по Граму. На МПА — сухие, складчатые, непрозрачные колонии; на МПБ — на по­верхности среды пленка.

5. Чудесная палочка (Serratia marcescens) образует кроваво-красный пигмент. На МПА колонии напомина­ют кровавые пятна. Округлые, с ровными краями, при­поднятые в центре, слизистой консистенции. На МПБ образует равномерную муть красного цвета. Микроб подвижен. В мазках видны мелкие грамотрицательные палочки.

Факультативно-анаэробные микроорганизмы. 1. Вуль­гарный протеи (Proteus vulgaris)—очень полиморфная палочка, резко изменяющая форму и размеры на пита­тельной среде. По Граму не окрашивается, подвижная, перитрих. Во время роста может перемещаться по на­клонной поверхности плотной питательной среды (проба по Шукевичу).

2. Кишечная палочка (Е. coli)—грамотрицательная, подвижная, встречаются и неподвижные штаммы. Ме­стонахождение— кишечник животных и человека, откуда попадает в почву и водоемы. Принимает активное уча­стие в разложении белка.

Анаэробные микроорганизмы. I. Cl. putrificum — не­большая- спорообразующая палочка, по .форме напоми­нает барабанную. Один из наиболее распространенных возбудителей анаэробного разложения клетчатки, обра­зует большое количество газов. Не сбраживает угле­воды.

2.Cl; sporogenes —мелкая клостридия с централь­ным - расположением споры. В отличие от предыдущей сбраживает углеводы. В процессе аммонификации образуются аммиачные соли, которые окисляются и переходят в соли азотной кислоты (нитраты).

Другие микроорганизмы, разлагающие белок. Кроме бацилл и бактерий, белковые вещества разлагают акти­номицеты и другие грибы, но аммонифицирующая спо­собность их ниже и выражена в разной степени. Разло­жение белков происходит под действием экзоферментов (ферменты, выделяемые во внешнюю среду). Микро­организмами могут усваиваться только растворимые продукты гидролиза белка: пептоны в аминокислоты. Микробы же, не образующие аминокислоты, естествен­ными белками питаться не могут. В процессе аммони­фикации образуется большое количество аммиака, кото­рый идет на синтез азотистых соединений.

Аммонификация мочевины.

Животными и человеком ежесуточно выделяется в окружающую среду более 150 тыс. т, а в год более 20 млн т мочевинного азота, или 50 млн т мочевины. В моче содержится 47% азота, поэтому она считается одним из концентрирован­ных азотистых удобрений. Мочевина непригодна для азотистого питания растений, и только после разложения ее уробактериями она становится усвояемой.

Уробактерии (ureae — моча) были открыты в 1862 г. Л. Пастером. Среди них встречаются как палочковид­ные, так и шаровидные формы микробов. Они образуют фермент уреазу. Наиболее энергичные возбудители раз­ложения мочевины — Вас. probatus и Вас. pasteuri, у которых жгутики расположены по всей поверхности тела. Такие микробы разлагают в 1 л раствора до 140 г моче­вины. Из шаровидных микробов наиболее энергичное действие на мочевину оказывает Sporosarcina ureae. В 1 л раствора она разлагает до 30 г мочевины. Харак­терный признак этой сарцины — наличие у нее жгутиков.

Уробактерии аэробы и хорошо развиваются только в резкощелочной среде. В качестве азота они используют аммиачные соли или свободный аммиак, образующийся при гидролизе мочевины. Углерод из мочевины уробак­терии использовать не могут, так как он находится в сильно окисленной форме и при гидролизе не выделяется в виде углерода диоксида. Углерод уробактерии исполь­зуют из различных органических соединений (соли ли­монной, янтарной, яблочной, уксусной и других кислот, а также моносахариды,сахариды и крахмал).

Нитрификация.

Продукты гниения белков и разложения мочевины — аммиак и аммиачные соли — могут быть непосредственно усвоены растениями, но они обыч­но превращаются в нитраты — соли азотной кислоты. Биологическая сущность процесса нитрификации была доказана работами Т. Шлезинга и Л. Мюнца в 1879 г. Позднее (1888 — 1890) известный русский микробиолог С. Н. Виноградский, применив элективную среду, выде­лил чистые культуры тарификаторов. Ученый устано­вил, что органическое вещество в среде тормозит разви­тие нитрифицирующих бактерий, в то время как в чисто минеральных питательных растворах они хорошо растут. В первой фазе аммиак окисляется до азотистой кислоты по схеме:

NH3 → NH4OH → NH2OH → HNO → HNO +274,9 кДж.

Аммиак Едкий Гидро- Нитро- Азотистая

аммоний ксиламин ксил кислота

Считается, что процесс нитрификации проходит в не­сколько стадий, при этом образуется ряд промежуточных продуктов: гидроксиламин, нитроксил и др.

Во второй фазе азотистая кислота окисляется до азот­ной:

HNO2 → HNO3 +87,6 кДж.

Азотистая Азотная кислота кислота

Первая и вторая фазы единого процесса нитрифика­ции вызываются разными возбудителями. С. Н. Виноградский объединил их в три рода; Nitrosomonas, Nitrococystis, Nitrosospira. Бактерии рода Nitrosomonas име­ют форму палочек, грамотрицательные, подвижные, снабжены одним жгутиком, спор не образуют. Разные виды Nitrosomonas широко распространены в почве и отличаются друг от друга формой и размерами. Род Nilrococystis способен образовывать зооглеи (кокковые формы микробов окружены общей капсулой). Род Nit­rosospira С. Н. Виноградский разделил на два вида: Nitrosospira bria и Nitrosospira arctica. Бактерии обоих видов имеют правильную спиральную форму. Наряду со спирально закрученными нитями у старых культур встре­чаются короткие палочки и кокки.

В последнее время выделено еще два рода микробов, вызывающих первую фазу нитрификации: Nitrosolobus и Nitrosovibrio. Окисление азотистой кислоты в азотную осуществля­ется мелкой полиморфной, грамотрицательной, непо­движной бактерией, которую С. Н. Виноградский назвал Nitrobacter, Микробы группы Nitrobacter лучше развива­ются на чисто минеральных средах и могут синтезиро­вать органическое вещество своего тела, используя угле­рода диоксид.

Во второй фазе нитрификации применяют участие также микробы родов Nitrospina и Nitrococcus.

Нитрифицирующие микробы отрицательно относятся к органическим веществам. Добавление к минеральному раствору 0,2% пептона или глюкозы приостанавливает рост микробов. Сильная чувствительность нитрифици­рующих микробов к органическим веществам отмечает­ся в растворах, в почве этого не наблюдается, так как в ней водорастворимых веществ в значительных количе­ствах никогда не бывает. Кроме нитрифицирующих бак­терий, в почве находятся и другие микроорганизмы, ко­торые используют органическое вещество и тем самым создают благоприятные условия для развития нитрификаторов. Это лишний раз свидетельствует о том, что фи­зиологические свойства микроорганизмов надо изучать не на изолированных искусственных средах, а в естест­венной среде их обитания.

На процессы окисления аммиака влияют не только микробы, но и их ферменты. Кроме органического ве­щества, на нитрификацию оказывает влияние концентра­ция аммиака. Его действие на культуру резко проявля­ется в условиях жидких сред. В почве же аммиак,нахо­дится в адсорбированном состоянии и не может оказывать угнетающего действия. Поэтому нитробактер сразу же окисляет азотистую кислоту в азотную.

На процесс нитрификации положительно сказывает­ся присутствие кислорода. В обрабатываемых почвах процесс нитрификации протекает более интенсивно. При­мерно также нитрификация проходит на черноземных почвах, особенно когда в них достаточное количество аммонифицирующих микробов, готовящих пищу (среду) для нитрификаторов. У солонцов меньшая нитрифици­рующая способность.

В почвах азотистая кислота не накапливается, по­скольку Nitrosomonas и Nitrobacter встречаются в од­ной среде, находятся в своеобразном симбиозе. Нитрификаторы способны осуществлять хемосинтез, то есть создавать органическое вещество из углерода диоксида и воды за счет химической энергии окисления аммиака до азотистой кислоты и азотистой до азотной кислоты. Нитрификаторы чувствительны к кислой среде, они луч­ше развиваются при рН 8,3—9,3. В результате жизнедея­тельности нитрифицирующих бактерий на 1 га поч­вы может накапливаться за год до 300 кг азотной кислоты.